在本系列文章的第1篇《现代低轨卫星威廉希尔官方网站 如何改写太空竞赛格局》中,我们探讨了卫星通信市场的诸多方面,并初步讨论了其对5G新空口(NR)蜂窝网络和物联网(IoT)网络的影响。在本文中,我们将更深入地探索卫星网状网络与非地面网络(NTN)的融合,以及它们如何改变未来的通信格局。
NTN卫星作为中继站,扩展了地面网络的无线覆盖范围和容量。这些网络为紧急情况、灾难及物联网网络设备等其它服务提供通信手段。此外,一些公司正推出协议,将卫星通信功能集成到最新的高端智能手机中。借助低地球轨道(LEO)卫星网络,可实现全球双向紧急信息传递、面向偏远地区的低成本互联网服务、远程文本通信,以及其它基于手机的通信功能。
此外,3GPP第17版标准增加了新的5G卫星网络应用,涵盖地球静止轨道(GEO)、中地球轨道(MEO)和LEO卫星威廉希尔官方网站 。5G NTN NR卫星网络包括两个通信链路——一个在卫星与用户之间,另一个在卫星与连接至地球数据网络的地面站间。它将提供NTN-IoT及5G NR通信服务,将智能手机和其它支持5G的设备连接到NTN服务网络。
5G NR NTN与卫星威廉希尔官方网站 的进步
如图1所示,位于地球上空35,000公里的GEO卫星延迟为280毫秒(ms),而运行在500至1,200公里高度的LEO卫星则可将延迟降低至仅6至30毫秒。因此,从用户设备(UE)到LEO卫星的最大单向传播延迟远低于MEO和GEO。
图1,3GPP TS 22.261标准下,从UE到卫星的最大单向传播延迟对比
融合卫星威廉希尔官方网站 的5G NR NTN架构有望实现全球蜂窝无线连接。3GPP第17版标准侧重于增强全球5G-NTN和IoT-NTN服务,并引入低延迟的直通蜂窝服务,将sub-6GHz频段的速度提升至数十Mbps。
此外,第18版标准旨在通过使用10GHz以上的频率——特别是Ka和Ku频段,来改善覆盖范围及移动性。由此,将使速度达到数百Mbps,有利于部署较小尺寸的有源电子扫描阵列(AESA)天线;如SpaceX的Starlink所使用的天线。这些威廉希尔官方网站 进步提升了速度,可支持灾后恢复工作,还将覆盖范围扩展至传统网络无法触及的偏远地区。
如表1所示,3GPP标准下的5G NTN演进包括频谱的扩展,以涵盖L、S、K和Ka频段,从而增强上行链路覆盖,并支持移动服务。第18版标准还特别针对新引入的三个10GHz以上NTN频段(n510、n511和n512),以进一步完善5G NTN设计,实现更佳的性能和更广泛的接入。
表1,SATCOM NTN频率频段
NTN网络的另一个关键目标是提高有限无线电频谱资源的效率。该频谱经常处于拥塞状态;最近的威廉希尔官方网站 研究正在寻找更好的方法来管理这种拥塞;例如在空间网络中采用时分双工(TDD)模式,改变了为发送和接收信号分配不同路径的传统方法。如表2所示,使用TDD频段有助于移动运营商在繁忙的sub-6GHz频谱上腾出更多空间。这些改进正在推动卫星威廉希尔官方网站 向前发展,使其更为智能,更加符合地面网络的要求。
表2,TDD NTN频段
单向与双向卫星通信的对比
卫星通信分为单向和双向系统。单向通信涉及从卫星到地面的信号传输,应用于GPS、卫星电视和广播等服务。相比之下,双向通信能够实现卫星与地面站之间的交互式信号交换,支持互联网服务和电话通话。图2展示了涉及地球站和卫星单、双向通信间的差异。
如图所示,单向通信(左图)——如直播卫星(DBS)服务等,传统上依赖GEO卫星。GEO卫星与地球自转同步,仅环绕地球赤道运行。从地面视角看,GEO卫星在天空中处于固定位置。GEO卫星是地球同步轨道(GSO)卫星的一种,两者都用于电信及地球观测。
非地球静止轨道(NGSO)是指卫星相对于地球表面的非静止轨道类型。NGSO卫星的轨道高度低于GEO卫星,且完成一圈轨道所需时间更短。NGSO卫星在天空中不断移动,能够为移动卫星服务提供更好的覆盖,并改善全球连接。NGSO轨道有多种类型,包括LEO、MEO和高椭圆轨道(HEO),其中LEO距离地球最近。
图2,单向和双向卫星通信应用场景示例
双向LEO卫星架构进一步提升了整体卫星通信能力。此类双向卫星通信超越了过去的单向“弯管”式设置,融入了诸如AESA天线等威廉希尔官方网站 。“弯管”架构的运作方式类似于中继器,而双向架构则超越了这种单向通信方式。这些先进的系统对于增强地面与卫星间的通信至关重要。
NTN的透明与再生架构
新一代地面站系统基础设施正朝着灵活且互联的方向发展,配备了更小的平板用户终端,类似于蜂窝网络。为了将卫星接入网络融入5G,3GPP TR38.821引入了两种基于卫星的下一代无线接入网(NG-RAN)架构:透明架构和再生架构。
如图3(左)所示,在透明有效载荷架构中,3GPP 5G NR基站(gNB)位于地球上,而卫星则扮演“弯管”中继器的角色。在透明有效载荷通信中,RF滤波、变频和放大等操作均在卫星上进行。
在图3(右)所示的再生有效载荷架构中,全部或部分gNB功能在卫星上实现。因此,在再生有效载荷通信中,RF滤波、变频和放大、解调、编码/解码、切换或路由,以及调制等操作均在卫星上完成。这就如同在卫星上搭载了全部或部分gNB传统地面蜂窝基站的功能。此类用于LEO卫星的再生系统架构相较于传统“弯管”转发器具有诸多优势;且由于当前的LEO星座拥有自己专有的波形和机载处理系统,其已成为未来架构的方向。
图3,卫星有效载荷透明网络和再生网络
AESA和波束成形威廉希尔官方网站 的引入
传统抛物面(碟形)天线的局限性已使其难以满足当前的需求,由此推动了向AESA或相控阵天线等电子扫描天线的过渡。AESA天线可以电子方式改变信号方向,而无需物理移动,这在灵活性上大大优于机械扫描天线。此外,AESA可以利用波束成形威廉希尔官方网站 创建和发送信号,实现快速且准确的波束方向调整。这使得与任何轨道上的卫星建立连接成为可能,并能在卫星间实现快速切换。
,用户CPE终端是用户与卫星间的直接连接。这些设备成本低廉、易于设置,可固定或移动(如移动卫星通信、海事应用等)。其利用AESA天线将各种威廉希尔官方网站 集成到更紧凑、更轻巧的设计中。这包括用于灵活跟踪和导向的波束成形威廉希尔官方网站 ,同时采用商用现成品(COTS)组件;此外,它们还支持更快的数据传输方式。
结语
本文重点探讨了卫星网络与5G NR NTN的集成,特别强调了LEO卫星的应用。这种部署扩大了地面5G网络覆盖范围,并支持从应急通信到物联网应用等的各类服务。同时,我们着重介绍了3GPP第17版中的最新进展,特别是将卫星连接扩展到智能手机,从而获得全球范围的信息传递与宽带增强功能。我们还探索了从传统“弯管”模型向先进双向通信系统的转变,其中采用了商用威廉希尔官方网站 以提高效率。借助AESA和波束成形威廉希尔官方网站 ,数据传输速度及可用频率利用效率均得到显著提升。这一进步正在推动全球通信向前发展,使互联网连接更快、覆盖范围更广,并为偏远地区提供更可靠的服务。
在本系列的第三部分,我们将更深入地探讨AESA波束成形威廉希尔官方网站 ,以及它如何改变并推动空间卫星网络进入蜂窝市场领域。
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原文标题:推动通信发展:低轨卫星在全球无线通信扩展中的角色
文章出处:【微信号:Qorvo_Inc,微信公众号:Qorvo半导体】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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